老年人智能多功能晴雨傘

摘要：文章描述一種基于MCU控制技術(shù)、GSM技術(shù)、傳感器技術(shù)和GPS定位導(dǎo)航技術(shù)的老年人智能多功能晴雨傘的設(shè)計(jì)與制作。根據(jù)傘的結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)提出采用圓柱形電路板，可折疊式顯示屏以及柔性電路板等工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了定位短信求助、暖手、GPS定位和簡(jiǎn)易方向?qū)Ш降裙δ堋Ｏ到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能較為完善，成本相對(duì)較低。經(jīng)測(cè)試表明系統(tǒng)功能基本實(shí)現(xiàn)，且運(yùn)行較為穩(wěn)定可靠。

0 引言

社會(huì)人口老齡化嚴(yán)重，一對(duì)年輕夫妻目前需要照顧的老年人數(shù)量正逐步增加，老年人看護(hù)難的問題日益嚴(yán)重。老年人的生活護(hù)理和健康保障是城市建設(shè)亟須解決的問題。配合智慧城市的建設(shè)，運(yùn)用現(xiàn)代科技為老人提供舒適、安全、便利的生活護(hù)理方式存在迫切的需求。老年人出行經(jīng)常存在諸多不便，特別是下雨天氣，更是給老人帶去極大的不便甚至危險(xiǎn)。老人出行依靠的雨傘目前大多只有遮雨的功能，因此，專門針對(duì)老年人設(shè)計(jì)的智能多功能晴雨傘亟待出現(xiàn)。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)提出的老年人智能多功能晴雨傘主要由MCU控制模塊、GSM模塊、傳感器模塊、GPS模塊、加熱模塊等組成，可以實(shí)現(xiàn)定位短信求助、GPS定位、簡(jiǎn)易方向?qū)Ш?、暖手等功能?/p>

1.1 系統(tǒng)外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于雨傘結(jié)構(gòu)本身的局限性，其安裝系統(tǒng)成了一大難題。從傘面、傘骨和傘柄三大部分考慮，傘柄更具有合適的體積、操作簡(jiǎn)單和易于更換等條件。設(shè)計(jì)上，針對(duì)如何去增大電路板面積以適應(yīng)集成各功能電路，提出在傘柄內(nèi)采用圓柱形電路。針對(duì)如何降低系統(tǒng)對(duì)傘柄體積的要求，提出采用可折疊式顯示屏以及柔性電路板，可望做到簡(jiǎn)約美觀。

本系統(tǒng)采用圓柱形電路板(r=20mm，h=100mm)，并把主要硬件集成于傘柄下部里面，如圖1(a)所示。GPS接收引擎(13.9mm*15.0mm)、GSM集成模塊(34.0mm*25.0mm)和控制中心(15.1mm*12.5mm)等主要電路，相對(duì)于圓柱形電路板較大的表面積，可以輕易內(nèi)嵌進(jìn)傘柄，如圖1(b)所示。

LED顯示屏(50mm*30mm)設(shè)計(jì)在傘柄的上部，可以進(jìn)行90°的旋轉(zhuǎn)，大大縮小系統(tǒng)體積，如圖1(c)所示。顯示屏旋轉(zhuǎn)接口處采用柔性電路板，如圖1(d)所示，實(shí)現(xiàn)顯示模塊和主控制器的通信。

加熱模塊采用的碳纖維包裹在傘柄的周圍，并用塑料膜封裝。用內(nèi)置的溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，傘柄自動(dòng)升溫，可實(shí)現(xiàn)暖手功能，更人性化地體貼老年人。

系統(tǒng)采用按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。僅選用的三個(gè)大按鍵，豎直整體內(nèi)嵌在傘柄的一側(cè)，如圖1(e)所示，其更能適合老年人的使用習(xí)慣。

電子器件涂上加固膠水，電路板涂上防水膠，傘柄外圍添加防水膜，可更好地實(shí)現(xiàn)防摔、防水。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.2.1 硬件電路模塊設(shè)計(jì)

硬件電路模塊框圖如圖2所示，MCU在GPS模塊接收到有效的GPS信號(hào)后，可控制GSM模塊向指定的手機(jī)用戶發(fā)送定位求助短信，同時(shí)可通過運(yùn)用方向算法處理磁阻傳感器產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，并對(duì)GPS模塊接收到的位置信號(hào)和終點(diǎn)的位置信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得出方向信號(hào)，最后通過LED顯示屏呈現(xiàn)方向，達(dá)到導(dǎo)航的效果。MCU通過溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)外界溫度的測(cè)量，若溫度低于設(shè)定值，則啟動(dòng)碳纖維發(fā)熱體加熱傘柄。

1.2.2 軟件編程設(shè)計(jì)

MCU主要依靠系統(tǒng)工作流程圖工作，如圖3所示。流程圖可分為定位、導(dǎo)航、求救短信和溫控加熱四個(gè)部分。系統(tǒng)循環(huán)檢測(cè)按鍵和手柄溫度。按鍵按下后，系統(tǒng)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的定位、導(dǎo)航和短信求救中的一個(gè)功能，執(zhí)行完畢繼續(xù)循環(huán)檢測(cè)按鍵。系統(tǒng)循環(huán)檢測(cè)手柄溫度、控制發(fā)熱體，使手柄溫度保持在20～43℃之間。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 GPS定位

GPS模塊通過天線捕捉GPS衛(wèi)星信號(hào)極小的電磁波并轉(zhuǎn)為微弱的電流，并將該信號(hào)傳至接收模塊。GPS接收模塊處理該信號(hào)后傳送給MCU，由MCU判斷接收的GPS信號(hào)是否有效。若信號(hào)無效，MCU則選擇丟棄;若信號(hào)有效，MCU模塊從GPS數(shù)據(jù)中提取該處的位置信息，并存儲(chǔ)到MCU內(nèi)部的EEPROM中，作為導(dǎo)航的終點(diǎn)。

2.2 簡(jiǎn)易方向?qū)Ш?/strong>

磁阻傳感器的磁阻元件會(huì)形成一個(gè)共同的敏感軸，有3個(gè)相互正交的敏感軸分別指向XYZ方向。MCU通過I?C總線讀出XY方向的坐標(biāo)信息，并利用角度算法處理由磁阻傳感器處理產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)和GPS模塊接收到的位置信號(hào)以及終點(diǎn)的位置信號(hào)，得出前往終點(diǎn)的方向信號(hào)，并通過LED顯示屏呈現(xiàn)出前進(jìn)的方向箭頭，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的功能。

所述方向算法的具體計(jì)算方式為：將目的地的經(jīng)度和緯度分別減去當(dāng)前位置的經(jīng)度和緯度，再乘上經(jīng)緯度每變化1°所改變的距離。上述計(jì)算可得到目的地與當(dāng)前位置在南北方向和東西方向的距離，然后將這兩個(gè)距離代入反正切函數(shù)，得到以東方為基準(zhǔn)，當(dāng)前位置和目的地連線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和東方形成的夾角。接著，將磁場(chǎng)傳感器返回的XY方向的數(shù)據(jù)代入反正切函數(shù)，得到以東方為基準(zhǔn)，正前方順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和東方形成的夾角。將兩個(gè)角度相減，得到以正前方為基準(zhǔn)，當(dāng)前位置和目的地連線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和正前方形成的夾角。

得知夾角和基準(zhǔn)方向以后，LED顯示屏將方向以箭頭圖案顯示出來，移動(dòng)過程中不斷更新方向。當(dāng)用戶所在位置跟目的地經(jīng)緯度相差都小于0.04”，即大約5m到10m時(shí)，系統(tǒng)則認(rèn)為用戶已經(jīng)到達(dá)目的地，LED顯示屏顯示“OK”字樣。

2.3 定位短信求助

該功能選用TC35集成模塊，對(duì)GSM信號(hào)的捕抓敏感，通信質(zhì)量好。

MCU通過判斷GPS模塊接收的GPS信號(hào)是否有效，向GSM模塊發(fā)送不同的AT指令。當(dāng)接收的GPS信號(hào)有效時(shí)，系統(tǒng)通過處理GPS信號(hào)得到該處的位置信息，并通過GSM模塊向指定的手機(jī)用戶發(fā)送具有老年人精確地理位置的求助短信;當(dāng)接收的GPS信號(hào)無效時(shí)，系統(tǒng)將直接通過GSM模塊向指定的手機(jī)用戶發(fā)送求助短信(“I need help”)。

2.4 暖手

該功能所選用的碳纖維發(fā)熱體，升溫迅速，電熱轉(zhuǎn)換效率高。

系統(tǒng)運(yùn)行后，內(nèi)置溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)溫度低于20°C時(shí)，MCU啟動(dòng)加熱模塊，碳纖維發(fā)熱體正負(fù)極通電，短時(shí)間內(nèi)，溫度上升至約43℃，停止加熱。待溫度降至20℃以下，發(fā)熱模塊再次啟動(dòng)。由于碳纖維內(nèi)嵌于塑料層中，密封性能好，保溫效果顯著。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)

3.1 定位與短信求助功能測(cè)試

在所選的位置，按下“定位”按鍵，若定位成功，顯示屏?xí)@示“OK”字樣;若定位無效，則顯示屏?xí)@示“X”字樣。10s以后，按下“短信求助”按鍵，20s內(nèi)，目的手機(jī)會(huì)接收到系統(tǒng)發(fā)過來的短信。若定位成功，手機(jī)接收到的信息內(nèi)容為該位置的經(jīng)緯度，以谷歌地球搜索到該地點(diǎn)經(jīng)緯度作為理論經(jīng)緯度，兩者對(duì)比以后，得到距離誤差。若定位無效，手機(jī)接收到的信息內(nèi)容為“I need help”的語句。定位與短信求助功能測(cè)試數(shù)據(jù)，如表1所示。

(注：表中測(cè)試數(shù)據(jù)的地點(diǎn)為暨南大學(xué)本部;測(cè)試時(shí)間為2013—10—21)

表1表明，在相對(duì)開放的環(huán)境下，系統(tǒng)能夠成功定位并較準(zhǔn)確地獲取所在位置的經(jīng)緯度;在封閉的環(huán)境下，天花板嚴(yán)重影響了GPS接收信息的質(zhì)量，系統(tǒng)無法獲取所在環(huán)境的經(jīng)緯度，但依然能夠成功向指定手機(jī)發(fā)送求助信息。

3.2 導(dǎo)航測(cè)試數(shù)據(jù)

在表2中的終點(diǎn)預(yù)先按下“定位”鍵，將其經(jīng)緯度儲(chǔ)存在EEEPROM中。按下“導(dǎo)航”鍵，依次經(jīng)過表2中的五個(gè)測(cè)試地點(diǎn)并記錄顯示屏箭頭指示的方向，導(dǎo)航數(shù)據(jù)如表2所示。

3.3 發(fā)熱模塊測(cè)試數(shù)據(jù)

于傘柄上部、下部?jī)蓚€(gè)位置，使用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行發(fā)熱模塊啟動(dòng)前后的溫度測(cè)試，計(jì)算溫度平均值，并使用計(jì)時(shí)器測(cè)量系統(tǒng)加熱時(shí)間以及保溫時(shí)間，具體數(shù)值如表3所示。

表3說明了碳纖維發(fā)熱體較高的轉(zhuǎn)換效率以及該系統(tǒng)良好的保溫特性。

經(jīng)過測(cè)試數(shù)據(jù)分析，說明本設(shè)計(jì)各方面指標(biāo)均能夠達(dá)到要求，性能穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)根據(jù)傘的基本結(jié)構(gòu)，提出采用圓柱形電路板、可折疊式顯示屏以及柔性電路板等，把GPS功能電路、GSM功能電路、磁阻傳感器以及LED顯示屏等巧妙地集成在了雨傘中。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易的方向?qū)Ш焦δ埽绦徘笾约疤炖鋾r(shí)暖手的功能，且操作簡(jiǎn)單、成本低。智能傘可讓老年人家人及時(shí)知曉老年人外出時(shí)的情況。同時(shí)本設(shè)計(jì)可正確為老年人指示回家的方向，減輕了家人對(duì)老年人的照看壓力。另外，傘柄中碳纖維發(fā)熱體可給老年人帶去更人性化服務(wù)。本設(shè)計(jì)為老年人提供舒適安全的智能生活方式提出了一種有益的嘗試。